실험에서는 AVCC 를 단순히 5V에 연결하고 AREF는 연결을 하지 않았으며 [그림 1] 에 A/D변환기의 전원부를 도시하였다. 데이터쉬트에 의하면 AVCC는 LC필터를 이용하여 안정화시킬 것을 권장하고 있다.(여기에서는 사용하지 않음) 또한 앞으로의 실습에서는 기준전압을 AVCC로 사용할 것이기 때문에 AREF핀은 연결하지 않았다. 데이터쉬트에서는 AREF핀을 사용하지 않을 경우 GND와 0.1uF의 커패시터를 연결할 것을 권하고 있으나 이 역시 A/D변환 회로부에 들어가게 될지도 모르는 전원 잡음을 조금이라도 줄이기 위한 방편이며, 연결하지 않아도 실습하는데 있어서 크게 문제될 것은 없다.

[그림 1] 그림 8.3.1 데이터쉬트의 권장 회로(좌)와 실험키트의 회로(우)

Cds광센서를 이용한 ADC 실험

 여기에서는 Cds광센서를 이용하여 A/D변환 실험을 수행해 보겠다. 설명의 편의를 위해 회로도를 [그림2]에 도시하였다.

[그림 2] CdS 셀 회로도

Cds는 빛의 양에 따라 저항값이 반비례하는 가변 저항으로 보면 된다. 따라서 내부 풀업 저항을 연결한다면 광량에 따라서 PC4핀의 전압값이 달라질 것이다. 극단적인 경우로 Cds의 저항이 무한대라면(빛이 하나도 없는 경우) PC4핀의 전압은 5V일 것이다. 반대로 저항이 0이라면 (빛이 매우 많은 경우이다) PC4핀의 전압은 0V일 것이고 그 중간의 경우는 광량에 따라서 PC4핀의 전압값이 반비례할 것이다. 즉, 광량이 많으면 PC4핀의 전압은 낮아지고, 광량이 적어질수록 전압은 높아진다.

 이러한 특성을 이용하여 밝으면 LED가 꺼지고 어두워질수록 LED가 더 많이 켜지는 프로그램을 작성해 보자.

이 예제에서는 기준전압을 AVCC로, 변환 데이터 저장 방식은 우측 정렬로 그리고 핀은 ADC4번 핀으로 선택하여 ADMUX레지스터에 설정하였다. 그리고 인터럽트는 사용하지 않고 연속 변환 모드와 128분주된 클럭으로 선택하여 ADCSRA레지스터에 설정하였다. 그리고 ADCSRA레지스터의 ADSC비트를 세트시켜서 변환을 시작시켰으며 그 이후에는 자동으로 A/D변환을 수행하여 ADC레지스터의 값이 실시간으로 갱신이 된다. 따라서 while(1) 반복문 안에는 단순히 ADC레지스터 값을 읽어서 그것의 범위에 따라서 LED의 숫자를 조절하는 프로그램이 작성되어 있다. A/D변환값이 10비트이기 때문에 그 값의 범위는 0~1023일 것이다.

 이 프로그램을 컴파일 한 후에 실행시켜서 만약 밝은 환경이라면 LED가 하나도 안 켜지지만 손바닥으로 센서를 많이 가릴수록 LED가 더 많이 켜지는 것을 확인할 수 있을 것이다.

 여기에서는 이전 포스트들 (ADC 개요, 관련 레지스터들) 에 이어서 A/D변환을 실제로 수행하는 절차에 대해서 정리하였다.

① 기준전압, 입력핀, 그리고 저장방식을 결정한 후 ADMUX 레지스터를 적절히 설정한다.

② 클럭분주비, 인터럽트 허용 여부 등을 결정한 후 ADCSRA 레지스터를 설정하여 A/D 변환기의 동작을 허용한다.

③ ADSC비트를 ‘1’로 써서 A/D변환을 시작한다.

④(A) 만약 변환 완료 인터럽트를 사용하지 않는다면 ADIF비트가 ‘1’이 될 때 까지 기다린 후 ADC레지스터 값을 읽는다. 그후 ADIF비트를 다시 클리어(‘0’)시킨다.

④(B) 만약 변환 완료 인터럽트를 사용한다면 ISR()함수에서 ADC레지스터 값을 읽는다.

 위에서 ④(A)번을 보면 A/D변환을 시작한 이후 완료되었는지를 검사하는 비트는 보통 ADIF를 사용함에 유의해야 한다. ADIF비트가 ‘1’로 세트되었다는 것은 A/D변환이 완료되고 그 변환값이 ADC레지스터에 저장되었음을 의미한다. 따라서 ADIF가 ‘1’이 될 때 까지 기다렸다가 그 이후에 변환값을 저장한다.

 만약 인터럽트를 사용하지 않는다면 ADIF 비트를 수동으로 클리어(‘0’)시켜야 하는데 데이터쉬트에 의하면 이를 위해서는 ADIF비트에 ‘1’을 써야한다는 것에 유의해야 한다. 만약 인터럽트를 사용하여 ISR(ADC_vect)가 호출된다면 자동으로 ADIF는 ‘0’으로 클리어된다.

 여기에서는 이전 포스트에 이어서 ACD에 관련된 레지스터들에 대해서 알아보도록 하겠다.

[ADCH:ADCL] 레지스터

 A/D 변환 결과는 10비트이기 때문에 SFR 두 개가 필요한데 ADCH과 ADCL 두개의 레지스터가 변환된 값이 저장되는 레지스터이다. 변환값의 상위 바이트와 하위 바이트를 저장하는데 각각 사용되고 ADC의 최대 분해능이 10비트이기 때문에 이중에 10개의 비트만이 변환 값을 저장하는데 사용된다. 뒤에 설명할 ADMUX 레지스터의 ADLAR 비트의 값에 따라 저장하는 방식은 두 가지가 있는데 이를 [그림 1]과 [그림 2]에 도시하였다.

[그림 1] ADLAR='0' 일 때 변환 결과를 저장하는 방식 (우측 정렬)

[그림 2] ADLAR='1' 일 때 변환 결과를 저장하는 방식 (좌측 정렬)

변환 값을 10비트 모두 사용하고자 한다면 [그림 1]과 같이 ADLAR='0'으로 설정한 후 상위 6개의 비트는 무시하고 사용하면 된다. 하지만, 변환 결과를 8비트만 쓰고 싶을 때에는 [그림 2]와 같이 ADLAR='1'로 설정한 후 ADCH 값만을 취하여 사용하면 된다. 이후로는 16비트 메모리 [ADCH:ADCL]을 줄여서 ADC라고 표기한다. A/D 변환 결과는 다음과 같은 식으로 계산할 수 있다.

여기서 Vin 은 선택된 입력핀의 전압값이고 Vref 는 기준전압이다.

ADCSRA 레지스터

 ADCSRA (ADC Control and Status Register) 레지스터는 ADC의 전반적인 동작을 제어하는 기능을 수행한다. 구조는 다음과 같다.

[그림 3] ADCSRA 레지스터의 구조

• ADEN (ADc ENable) 비트는 ‘1’로 설정해야 ADC의 모든 동작이 허용된다. ‘0’으로 설정하면 ADC의 모든 동작이 금지되며 만약 변환 중에 ‘0’으로 클리어되면 변환이 즉시 중지된다.

• ADSC (ADc Start Conversion) 비트가 ‘1’로 세트되면 ADC가 시작된다. 연속 변환 모드에서는 이 비트가 세트되면 첫 번째 변환이 수행된 이후 자동으로 계속 변환이 수행된다. ADEN 비트가 ‘1’로 설정된 이후의 최초의 변환은 ADC의 초기화 때문에 25 클럭이 소요되고 두 번째 변환부터는 13클럭이 소요된다. 변환이 진행 중이라면 이 비트를 읽으면 ‘1’ 값이 읽혀지고 변환이 완료되면 ‘0’값으로 되돌아간다.

• ADFR (ADc Free Running select) 비트는 ADC를 연속 변환 모드로 설정한다. 연속 변환 모드에서는 ADC 변환이 자동으로 연속적으로 일어나므로 임의의 시점에서 최신 변환 결과를 읽어들일 수 있다.

• ADIF (ADc Interrupt Flag) 비트는 A/D 변환이 완료되어 ADC 레지스터 값이 갱신되고 나면 ‘1’로 세트되며, 만약 ADIE 비트가 ‘1’로 세트된 상태라면 인터럽트를 요청하게 된다. 해당 ISR이 호출되면 ADIF 비트는 자동으로 ‘0’으로 리셋되며, 만약 사용자가 강제로 이 비트를 ‘0’으로 클리어하려면 이 비트에 ‘1’을 써주어야 한다.

• ADIE (ADc Interrupt Enable) 비트를 ‘1’로 설정하면 A/D 변환완료 인터럽트를 허용한다. 실제로 인터럽트가 발생하려면 SREG 레지스터의 I비트가 ‘1’로 설정되어 있어야 한다.

• ADPS2:0 비트들은 ADC에 인가되는 클럭의 분주비를 선택한다. A/D변환기에서 사용하는 클럭은 10비트 연속 변환 모드가 정상적으로 수행되기 위해서 50~200KHz 범위 이내이어야 한다고 데이터쉬트에 기록되어 있다. 따라서 본 실습키트의 경우처펌 시스템클럭이 16MHz일 때에는 정상적인 A/D변환을 위해서는 <표 8.3.1>에 표시한 바와 같이 ADSP2:0='110' 혹은 ADSP2:0='111' 이어야 한다.

단, 10비트보다 낮은 분해능으로 사용할 경우에는 200KHz보다 더 높은 주파수를 사용할 수 있다고 되어 있다.

[표 1] ADC로 인간되는 클럭의 분주비

ADMUX 레지스터

 ADMUX (ADc MUltipleXer selection register) 레지스터는 ADC의 입력 핀을 선택하는 기능과 기준 전압원을 선택하거나 변환 결과를 레지스터에 저장하는 형식을 지정하는 기능을 수행한다.

[그림 4] ADMUX레지스터의 구조

• REFS1:0 두 비트는 A/D 변환의 기준 전압을 선택한다.

[표 2] ADC 기준 전압 선택

(1) AREF핀에 외부 전압을 인가하지 않고 GND와 0.1uF의 커패시터를 연결할 것.

• ADLAR (ADc Left Adjust Result) 비트는 ‘1’로 설정되면 A/D 변환 결과가 ADC레지스터에 저장될 때 <그림 8.2.2>와 같이 정렬되고 ‘0’으로 설정되면 <그림 8.2.1.>과 같이 정렬된다.

• MUX3:0 비트들은 ADC의 입력핀을 선택한다. PDIP패키지는 외부 핀이 ADC5번까지만 있고, TQFP/MLF 패키지는 ADC7번까지 있다.

[표 3] 입력 채널 선택

 A/D변환기 (Analog-to-Digital Converter)란 아날로그 전압을 디지털 값으로 변화시켜주는 장치로서 ATmega8(A)는 10비트 분해능의 A/D변환기를 내장하고 있다. 개략적으로 설명하면 변환하는 전압의 범위가 0~5V일 때 입력핀의 전압이 0V이면 0x000, 5V이면 0x3FF (0b11.1111.1111), 2.5V이면 0x1FF와 같이 연속적인 전압을 불연속적인 2진 숫자로 바꾸어주는 장치가 A/D변환기이다.

[그림 1] ATmega8(A) 의 ADC 내부 구조도

A/D변환기는 보다 안정된 동작을 위하여 AVR의 시스템 전원과 별도로 아날로그 회로의 전원핀 AVCC가 있으며 A/D변환에 필요한 기준 전압을 인가하는 AREF핀도 가지고 있다. 단, AVCC의 전압은 VCC에 인가되는 전압의 ±0.3V 이내로 유지되어야 한다. 이를 위해서 dateasheet에는 다음과 같은  간단한 LC 필터를 AVCC에 연결하도록 권장된다.

[그림 2] AVCC에 연결되는 LC필터

변환되는 전압의 최소값은 GND이며, 최대값은 AVCC/AREF/2.56V(내부 발생) 세 가지 중에서 선택적으로 설정할 수 있다.

[그림 2] ADC와 관련된 핀들

A/D 변환 핀은 PDIP패키지의 경우 ADC0~ADC5로 6개가 있으며 SFR의 설정에 따라 이들 중 하나의 핀을 선택하여 A/D 변환을 수행하게 된다. 단일 변환 시간은 13~250us이다.

 A/D변환 모드는 단일 변환 모드 (single conversion mode)와 연속 변환 모드 (free running mode)가 있는데 연속 변환 모드에서는 최대 분해능으로 초당 15,000번의 속도로 연속 변환을 수행토록 할 수 있다. A/D변환이 완료되면 변환 결과 값이 저장되는 SFR이 갱신되면서 A/D 변환 완료 인터럽트가 발생하도록 설정할 수도 있다.

 PWM이라는 것은 구형파의 듀티비(duty ratio)를 조절하는 것을 의미한다. 듀티비란 구형파의 주기와 ‘1’이 되는 구간의 시간비율을 의미한다. 다음 [그림 1]에서 T는 주기, t1은 한주기에서 ‘1’이 되는 시간을 표기하는데 듀티비는 t1/T 로 정의된다.

[그림 1] PWM과 듀티비

ATmega8(A)의 T/C2는 두가지 PWM발생 모드를 가지고 있는데 하나는 고속PWM모드이고 다른 하나는 위상교정PWM 모드이다. 이 두 가지에 대해서 각각 알아보겠다.

고속 PWM 모드

 고속 PWM모드는 TCNT2레지스터가 노멀모드에서와 같은 동작을 한다. 즉, 0x00에서 0xFF까지 1씩 증가하다가 그 다음 사이클에서 다시 0x00으로 클리어된 후 다시 1씩 증가한다. 이 때 ① TOV2 플래그가 세트되며 ②비교매치시 OC2 플래그도 세트된다. OC2 핀은 COM21:0 비트들의 설정에 따라서 동작이 결정되는데 ①의 경우에 세트되고 ②의 경우에 리셋 되거나 혹은 반대의 동작을 취할 수 있다.([표 1] 참조) 데이터쉬트에서 [그림 1]에 고속 PWM모드의 타이밍 다이어그램을 발췌하였다.

[그림 2] 고속 PWM 모드에서의 타이밍 다이어그램

[표 1] 고속 PWM 모드일 때 비교 출력핀(OC2핀) 동작

OC2핀으로 발생하는 PWM파형의 주기는 다음 식과 같이 계산할 수 있다.

여기서 N 은 분주수를 나타내며 1, 8, 32, 64, 128, 256, 1024 중 하나이고, fTC2는 T/C2에 인가되는 클럭 주파수이다.

 한 가지 유용한 사실은 오버플로우 인터럽트와 비교매치 인터럽트를 이용하면 임의의 포트핀에 PWM파형을 발생시킬 수 있다는 점이다. 즉 해당하는 ISR() 함수 내부에서 원하는 포트핀을 셋시키거나 리셋시켜서 OC2핀 뿐만 아니라 임의의 포트핀에 PWM파형을 발생시킬 수 있다.

위상 교정 PWM 모드

 위상교정PWM 모드가 고속PWM 모드와 다른 점은 TCNT2레지스터가 0에서 0xFF값에 도달한 후(업-카운팅) 0x00으로 클리어되는 것이 아니고 1씩 감소하여 다시 0x00이 된다(다운-카운팅)는 점이다. 이때 비교매치는 두 가지 경우인데 업 카운팅의 경우와 다운 카운팅의 경우이다. PWM파형은 업-카운팅에서 비교매치가 일어난 경우 OC2핀을 ‘1’로, 다운-카운팅에서 비교매치가 일어난 경우 OC2핀을 ‘0’으로 설정하여 PWM파형을 발생시킨다. (혹은 그 반대의 모양으로 발생시킬 수 있다.)

[그림 3] 위상 교정 PWM 모드의 타이밍 다이어그램

OC2핀으로 발생하는 PWM파형의 주파수는 고속 PWM의 경우보다 두 배 줄어들며 다음 식과 같이 계산할 수 있다.

여기서 N은 분주수를 나타내며 1, 8, 32, 64, 128, 256, 1024 중 하나이다.

[표 2] 위상 교정 PWM 모드일 때 비교 출력핀(OC2핀) 동작

고속 PWM모드에서와 마찬가지로 두 개의 인터럽트를 이용하면 위상교정 PWM파형도 임의의 포트핀으로 내보낼 수 있다. 단, 이번에는 앞의 경우와 달리 비교매치 인터럽트가 업-카운팅에서 발생했는지 다운-카운팅에서 발생했는지를 판별해야 할 것이다. 이것을 위해서 [그림 3]을 살펴보면 오버플로우 인터럽트는 다운-카운팅에서 0x00에 도달한 경우에 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서, 오버플로우 인터럽트가 발생한 이후 첫 번째 비교매치 인터럽트는 업-카운팅에서, 두 번째 비교매치 인터럽트는 다운-카운팅에서 발생한 것으로 판정해야 하므로 조건 검사를 하는 코드가 앞의 경우에 비해서 더 추가가 되어야 할 것이다.

 여기에서는 이전 포스트에서 소개했던 T/C2의 정상 모드와 CTC 모드에 대해서 자세히 살펴보도록 하겠다.

정상(Normal) 모드

 정상 모드는 TCNT2레지스터가 OCR2레지스터의 값에 영향을 받지 않고 $00부터 $FF까지 1씩 증가하는 동작을 반복하며 중간에 이 값이 클리어되지 않는 가장 단순한 기능의 모드이다. TCNT2레지스터가 $00값이 되는 동시에 TOV2 (overflow flag)가 ‘1’이 되고 만약 오버플로 인터럽트가 활성화되어 있다면 ISR이 호출된 후 TOV2는 자동으로 ‘0’으로 클리어된다. 또한 TCNT2값이 OCR2값과 일치되는 순간 TOCI2가 ‘1’이 되고 만약 OCIE2 비트가 ‘1’로 설정되었다면 비교 매치 인터럽트가 발생된다.

 따라서 이 모드는 일정한 시간 주기로 인터럽트를 발생하는 용도로 사용되나 그 주기를 정밀하게 결정하지는 못하는 단점이 있다. 또한 normal 모드에서도 COM21:0비트를 설정하여 OCR2의 비교매치를 사용할 수는 있으나 데이터쉬트에 의하면 normal모드에서 OC2핀을 활성화시키는 것은 권장되지 않는다.

 이제 노멀모드의 두 개의 인터럽트를 이용해서 LED의 밝기를 조절하는 예제를 작성해 보자. 다음 프로그램을 실행시켜보면 LED전체가 점점 밝아졌다가 꺼진후 다시 점점 밝아지는 동작을 반복한다.

이 예제에서 보면 오버플로 인터럽트에서는 LED를 모두 켜고 비교매치 인터럽트에서는 LED를 모두 끄게 되어 있다. 이러한 동작이 1초에 약 977번 일어나기 때문에 눈으로 보기에는 깜빡이는 것이 아니라 밝기가 다르게 보이는 것이다. OCR2의 값이 클수록 LED가 켜져 있는 구간이 길어지므로 OCR2값이 0에 가까우면 거의 꺼진 것 같이 보이고 커질수록 더 밝아보이게 된다. 이러한 동작을 펄스폭 변조(PWM) 제어라고 하는데 디지털 회로에서 그 응용폭이 넓기 때문에 AVR에는 PWM을 발생시키는 별도의 기능이 마련되어 있으며 7.3.3절에서 자세히 설명하도록 하겠다.

CTC (Clear Timer on Compare match) 모드

 정상 모드에 비해서 CTC 모드는 조건 TCNT2 == OCR2 이 만족되는 그 다음 순간에 TCNT2레지스터가 $00으로 초기화 된다는 점이 다르다. non-PWM모드 (노멀 모드와 CTC 모드)에서 COM21:0비트의 설정에 따라 OC2핀이 어떻게 동작하는 지는 다음 표에 정리하였다. 두 개의 COM21, COM20 비트 중 하나라도 0이 아니면 ATmega8(A)의 17번 핀은 PB3로 동작하는 것이 아니라 OC2핀으로 동작한다.

[표 1] non-PWM 모드일 때 비교 출력 모드

[그림 1] CTC모드의 타이밍 다이어그램

또한 TIMSK레지스터의 OCIE2 비트를 ‘1’로 설정하여 TCNT2가 OCR2값과 같을 때 인터럽트(비교매치 인터럽트)를 발생하게 설정할 수도 있다. 그리고 노멀모드와 마찬가지로 TOV2 플래그는 TCNT2레지스터가 OCR2레지스터 값에 도달하여 0x00으로 클리어되는 순간 ‘1’로 세트되지만 이 모드에서는 오버플로우 인터럽트가 별로 의미가 없다. 왜냐하면 같은 시점에서 OCI2 인터럽트가 발생하기 때문이다.

CTC모드의 가장 큰 장점은 사용자가 원하는 정밀한 주기의 인터럽트를 발생할 수 있다는 점, 그리고 [그림 1]에서 보듯이 COM21:0=01로 설정하면 원하는 주기를 가지는 구형파를 생성하여 OC2핀으로 내보낼 수 있다는 점이다. 이 경우에는 반드시 DDRB3를 ‘1’로 하여 출력모드로 설정해두어야만 한다. 이 경우 주파수의 계산식은 다음과 같다.

여기서 N은 분주수(1, 8, 32, 64, 128, 256, 1024 중 하나)이고 fdk 는 T/C2에 인가되는 클럭의 주파수이다.

 이전 포스트에 이어서 T/C2에 관련된 레지스터들에 대해서 알아보자. T/C2와 관련된 레지스터들은 다음과 같다.

[표 1] T/C2와 관련된 레지스터들

ASSR 레지스터

 ASSR2 레지스터를 이용하여 어떤 클럭 소스를 이용할 것인가를 설정할 수 있다.

[그림 1] ASSR 레지스터의 구조

이 ASSR레지스터의 b3는 AS2인데 이 비트가 ‘0’이면 시스템 클럭을, ‘1’이면 TOSC1, TOSC2핀으로 인가되는 외부 클럭을 T/C2의 클럭소스로 선택한다.

TCCR2 레지스터

 TCCR2 레지스트는 T/C2의 전체적인 동작을 설정하고 제어하는 레지스터이다.

[그림 2] TCCR 레지스터

FOC2는 b7인데 이 비트는 항상 ‘0’으로만 읽혀지며 PWM모드가 아닐 때만 ‘1’을 쓸 때 강제로 비교매치가 수행된다. (Force Output Compare) 이 경우 OC2핀의 출력은 COM21:0비트의 설정에 따라 변하게 된다.

그리고 b6과 b3 두 개의 비트는 WGM21:0로 표기하면 T/C2의 동작 모드를 설정하는데 사용되며  다음 표에 각각의 모드를 수록하였다.

[표 2] Waveform Generation Mode (WGM) 비트 설정

COM21:0 비트는 OC2핀의 출력을 제어하며 이 두 비트 중 하나라도 ‘1’로 세트되어 있다면 17번 핀은 포트핀(PB3)으로 동작하지 않고 OC2핀으로 동작하게 된다. 단 OC2핀으로 사용하기 위한서는 DDRB3는 반드시 출력(‘1’)으로 설정해야 된다는 것을 주의해야 한다. 또한 COM21:0 설정에 따른 동작은 어떤 모드로 동작하느냐에 따라서 값은 값이라도 다르다는 것에도 유의해야 한다.

 CS22:0 비트는 입력 클럭의 분주비를 설정하는 비트들이다.

[표 3] T/C2 프리스케일 선택

TIMSK 레지스터

 T/C0에서도 소개한 바 있는 TIMSK 레지스터는 T/C2의 인터럽트를 사용할 수 있도록 설정하는 비트들을 가지고 있다. 여기서는 T/C2와 관련된 b6, b7 비트들을 확인하자.

[그림 3] TIMSK 레지스터

이 중 b6은 TOIE2 (Timer/counter Overflow Interrupt Enable 2)라고 명명되어 있다. TOIE2는 T/C2에서 오버플로우가 발생했을 때 인터럽트를 발생시킬 것인지 아닌지를 설정하는 비트인데 “0”으로 설정되면 인터럽트를 발생시키지 않는다. 만약 TOIE2가 “1”로 설정되어있고 글로벌 인터럽트가 인에이블이면 (즉 SREG의 I비트가 1로 되어 있으면) 인터럽트가 발생된다. b7은 비교매치 시에 인터럽트를 발생시킬 것인지 아닌지를 설정하는 비트이고 ‘1’로 설정되면 비교매치 인터럽트가 발생한다.

 타이머/카운터2(이하 T/C2)는 T/C0와 마찬가지로 8비트로 동작하고 그 계수값은 TCNT2 레지스터에 저장된다. 하지만 T/C0와 비교해서 T/C2는 다음과 같은 몇 가지 기능을 더 가지고 있다.

• 비교매치 (compare match) 시 TCNT2 클리어.

• PWM (pulse-witdth modulator) 파형 발생.

• TOSC0/TOSC1 외부 핀에 32.765KHz 리얼타임클럭을 연결하여 사용 가능.

T/C0에서는 TCNT0레지스터의 값은 항상 $00에서 시작해서 $FF(255)까지 증가했다가 다시 $00으로 돌아가서 증가를 계속했으며 그 중간에서 다시 0으로 되돌릴 수 없었다. 즉, 사용자가 원하는 숫자에 도달하면 0으로 되돌리거나 혹은 그 시점에서 인터럽트를 발생할 방법이 없었다. 비교매치는 이러한 기능을 수행한다. 다음 [그림 1]에서 보면 OCR2레지스터가 있는데 여기에 저장된 값과 TCNT2값이 같은 시점에서 인터럽트를 발생하거나 OC2핀(17번 핀)으로 구형파를 내보낼 수 있다.

[그림 1] T/C2의 기능별 블럭도

 PWM(pulse-width modulation)은  led의 밝기 제어나 dc모터의 속도 제어 등에 사용되는 매우 중요한 기능 중 하나이다.. PWM 발생기는 구형파가 ‘1’이 되는 구간과 ‘0’이 되는 구간의 비율을 사용자가 조정할 수 있으며 이 비율을 듀티비(duty ratio)라고 하는데 모터의 속도제어와 같은 분야에서 중요하게 사용된다. PWM발생모드는 크게 두 가지로 나뉘는데 고속 PWM모드와 위상교정(phase correct) PWM 모드이다. 이에 대해서는 이후에 더 자세히 설명할 것이다.

[그림 2] T/C2와 관련된 핀들

 T/C2의 동작은 [표 1]과 같이 크게 세 가지로 분류할 수 있으며 각각의 모드는 TCCR2의 WGM20:1 두 비트를 설정함으로서 선택할 수 있다.

[표 1] T/C2의 세 가지 동작 모드 요약

 T/C2의 클럭 소스는 시스템 클럭 clk와 외부핀 TOSC1:2 으로 인가되는 외부클럭(32.765KHz) 두 가지 중 하나를 선택할 수 있으며 T/C1과 달리 프리스케일러를 사용하지 않는다. ASSR 레지스터의 AS2비트가 ‘1’로 세트되면 후자가 선택된다.

 이전 포스트에서 T/C0에 대해서 소개를 하였다. 여기에서는 관련 IOCR에 대해서 자세히 알아보도록 하겠다.

TCCR0 레지스터

 T/C0가 어떤 클럭 소스을 사용할 것인지는 TCCR0(Timer/Counter Control Register 0)의 b2:0 비트의 CS02, CS01, CS00에 의해서 선택되게 된다.

[그림 1] TCCR0의 비트 구조

TCCR0의 비트 3번부터 7번까지는 예약한 비트들로서 사용되지 않으며 항상 0으로 읽혀진다. 그리고 b2, b1, b0은 다음 표와 같이 T/C0의 프리스케일링 소스를 정의한다.

[표 1] T/C0의 프리스케일 선택

TCNT0 레지스터

 TCNT0는 클럭 소스의 카운트 값을 실시간으로 저장하는 레지스터로서 읽고 쓰기가 가능하다. 만약 TCNT0에 어떤 값이 쓰여 지면 그 쓰기 동작에 뒤이어 그 값에서부터 계수 작업이 수행되게 된다.

[그림 2] TCNT0 레지스터

이 레지스터는 초기값 $00 (0b00000000)으로 부터 최대값 $FF (0b11111111)까지 순차적으로 업카운팅(up-counting)을 하게 된다. 그리고 최대값 $FF가 되고 나서 그 다음 클럭이 들어오면 $FF + 1 = $00 가 되고 오버플로우(overflow)가 발생하게 된다. 이때 오버플로우 인터럽트가 발생하게 설정이 되었다면 인터럽트가 발생하게 될 것이다.

TIMSK (Timer/counter Interrupt MaSK) 레지스터

 TIMSK는 TC0와 TC1의 인터럽트를 사용할 수 있도록 설정하는 레지스터이다. 여기서는 TC0와 관련된 1번 비트만 확인하자.

[그림 3] TIMSK 레지스터

비트0은 TOIE0 (Timer/counter Overflow Interrupt Enable 0)라고 명명되어 있는데 T/C0에서 오버플로우가 발생했을 때 인터럽트를 발생시킬 것인지 아닌지를 설정하는 비트이다. “0”으로 설정되면 인터럽트를 발생시키지 않으며 “1”로 설정하면 글로벌 인터럽트가 인에이블이면 (즉 SREG의 I비트가 1로 되어 있으면) 인터럽트가 발생된다.

TIFR (Timer/counter Interrupt Flag Register) 레지스터

 TIFR의 구조는 TIMSK의 구조와 유사하며 다음과 같다.

[그림 4] TIFR 레지스터

이 중 TC0와 관련된 비트는 0번이며 만약 TC0에서 오버플로우가 발생하면 b1인 TOV0가 자동적으로 세트가 된다. 이 경우에 TIMSK의 b0가 (TOIE0) “1”로 설정이 되어 있다면 인터럽트가 발생되어 해당하는 ISR 함수가 호출되게 된다.

T/C0와 T/C1의 프리스케일러

 프리스케일링(prescaling)이라는 것은 입력된 클럭의 주기를 정해진 배수로 변형시키는 것이다. 다음 그림 7.2.2에서 보듯이 만약 CK/8이라면 입력 클럭 clk 의 주기가 8배로 늘어나게 됨을 알 수 있다. 만약 CK/64라면 주기가 64배로 늘어날 것이다. 이러한 기능을 수행하는 유닛을 프리스케일러(prescaler)라고 한다. (나누기로 표시되어있어서 주기가 줄어든다고 오해하면 안 된다.)

[그림 5] 프리스케일링의 개념도

T/C0와 T/C1은 같은 프리스케일러 모듈을 사용하지만 설정은 각각 다르게 할 수 있다. 이 프리스케일러는 T/C의 설정과는 무관하게 연속적으로 동작하고 하나의 프리스케일러를 T/C0과 T/C1이 공유한다. 프리스케일러를 리셋하려면 SFIOR 레지스어의 0번 비트 (PSR10)을 ‘1’로 쓰면 된다. 이후에 리셋동작이 끝나면 이 비트는 하드웨어적으로 (자동으로) ‘0’으로 클리어된다.

[그림 6] T/C0와 T/C1의 프리스케일러

 AVR의 내장 장치들 중에서 타이머/카운터는 그 기능이 많고 설정이 복잡하므로 익히는데 노력이 필요한 것 같다. 타이머(timer)는 그 단어가 의미하듯이 시간에 관계되는 것으로 우리가 원하는 시간 간격으로 변하는 신호를 만들어 주거나 특정한 시간에 인터럽트를 발생해 주는 장치이다. 또한 카운터(counter)란 숫자를 세는 것을 의미하며 내/외부의 이벤트(event)나 펄스의 숫자 등을 세는 기능을 가지고 있다. 이러한 기능을 하는 AVR의 내장 장치를 타이머/카운터라고 하며 이후에는 이것을 줄여서 T/C로 표기한다.

 ATmega8(A)에는 세 개의 T/C가 내장되어 있으며 하나는 16비트 T/C이고 다른 두 개는 8비트로 동작한다. T/C의 가장 기본적인 동작은 펄스를 세는 것인데 이 때 이 수를 저장하는 레지스터의 크기에 따라 8비트와 16비트로 구분한다. 즉, 펄스를 255개(8비트의 최대값)까지 셀 수 있다면 8비트 카운터고 65,535(16비트의 최대값)개까지 셀 수 있다면 16비트 카운터이다. 내장된 세 개의 T/C는 0번, 1번, 2번 이렇게 번호가 매겨져 있는데 0번 T/C와 (T/C0) 2번 T/C가 (T/C2) 8비트 T/C이고 이 계수가 저장되는 레지스터가 TCNT0($32번지), TCNT2($24번지)이다. 1번 T/C는 (T/C1) 16비트 T/C이고 그 계수 값은 TCNT1H:TCNT1L 두 개의 레지스터에 걸쳐서 저장된다.

 T/C 기능을 사용하기 위해서는 클럭신호가 필요한데 이것을 입력클럭(CK)로 그대로 사용할 수도 있고 또는 CK를 프리스케일링(prescaling)하여 사용하거나(CK/8, CK/64, CK/256, Ck/1024 등) 외부 핀(TOSC1:0, T1:0)으로 들어오는 클럭 신호를 입력으로 사용할 수도 있다.

T/C0(8비트)

 전술한 바와 같이 ATmega8A는 8비트 T/C 두 개를 내장하고 있으며 각각 T/C0, T/C2으로 표기한다. 이번에는 그 중 기능이 제일 단순한 T/C0에 대해서 알아본다.

 T/C0는 시스템 클럭(CK), 프리스케일된 클럭(CK/n) 또는 외부핀(T0:6번 핀)으로부터 입력되는 클럭 신호들 중 하나를 선택하여 사용하게 된다. 선택된 클럭을 clkT0 라고 표기한다. [그림 1]의 제어 유닛(control unit)은 클럭 입력을 계수하여 TCNT0레지스터의 값을 하나씩 증가시킨다. 그리고 오버플로우 인터럽트가 설정되어 있다면 TCNT0가 $FF에서 $00으로 변하는 순간 인터럽트(TOV0)를 발생시키기도 한다.

[그림 1] T/C0의 기능별 블럭 다이어그램

T/C0에 관련된 I/O레지스터로는 다음과 같은 것들이 있으며, 다른 IOCR과 마찬가지로 그 기능을 나타내는 말의 줄임말로 이름을 붙였다.

• TCNT0 : Timer/CouNTer 0

• TCCR0 : Timer/Counter Control Register 0

• TIMSK : Timer/counter Interrupt MaSK 0

• TIFR : Timer/counter Interrupt Flag Register

[그림 2] T/C0와 관련된 핀들

위 그림은 T/C0와 관련된 핀(T0핀)을 표시한 것이다.